核心素养视角下的初高中物理教学衔接①——以“光的全反射”教学为例

葛永普

(贵州省毕节市第一中学,贵州 毕节 551700)

发展学生核心素养是高中物理的课程目标,组织和优化课堂教学,应以核心素养为指向。针对初、高中物理教学衔接问题,本文以“光的全反射”教学为例,进行实验进阶和创新设计,力图促进学生主动获取知识,掌握光的全反射规律及其应用。

1 基于实验进阶的课程内容和教学目标分析

1.1 课程内容

《普通高中物理课程标准(2017年版)》对“光的全反射”内容的要求为:“知道光的全反射现象及其产生的条件。初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用。”[1]基于对课程内容的分析,确定以实验为中心进行进阶设计,让学生依次学习光的直线传播、光的反射、光的全反射、光发生全反射的条件、光纤通信原理、光纤通信的技术应用,体验科学探究过程,了解光纤技术在生产生活中的应用。

1.2 教学目标

(1) 自主构建光的全反射概念,了解光纤的工作原理;

(2) 提升科学探究意识及能力,能够合理提出问题,形成假设,进行评估和反思;

(3) 进一步认识生活中的光现象,了解光的全反射、光纤通信的应用,养成学生的科学态度与责任。

2 基于实验进阶的“光的全反射”教学

2.1 以实验激活学生思维

(1) 神奇的“玻璃小球”

问题:如图1所示,将玻璃小球放入试管中,然后将试管斜插入盛水的大烧杯中,从水面上方观察水中的试管,与从侧面看见的试管有何区别?能看到玻璃小球吗?接着向试管中注入清水,又会看到什么现象?

图1

实验现象:先将玻璃小球放入试管,能看到试管中的玻璃小球;试管斜插入水中,试管内壁好像镀了一层银,玻璃小球不见了;再往试管中注入清水,玻璃小球又重新显现。

设计意图:利用奇妙的现象激发学生的学习兴趣和求知欲望。

(2) 神奇的“水流光”

问题:如图2所示,在透明矿泉水瓶离瓶口7 cm处开一个直径为0.5 cm的小孔,便于水流出。在瓶身离底部1 cm处开一个直径为0.3 cm的小孔,此孔便于控制水的流出。其他器材有水槽、激光笔等。用手指堵住瓶底部小孔,将塑料瓶装满水并拧住瓶盖倒置,由于大气压的作用,瓶里面的水不会流出;打开激光笔将光源从瓶身一侧对准直径为0.5 cm的小孔,待稳定后,移开堵住小孔的手指,观察实验现象,还能看到光沿直线传播吗?你看到了什么现象?

图2

实验现象:没有移开堵住小孔的手指时,绿色激光透过侧面小孔沿直线传播;移开手指后,绿色激光顺弯曲水流传播(图2)。

设计意图:引导学生体验实验过程,观察奇妙现象,激发认知冲突,引发积极思维。

2.2 通过实验建构概念、总结规律

(1) 光在水和玻璃中的传播

问题:当光从空气斜射向玻璃时,光线向什么方向偏折?折射角与入射角有什么关系?当光从玻璃斜射向空气时,光线向什么方向偏折?折射角与入射角又有什么关系?

实验现象:光从空气斜射入玻璃,光线向法线偏折(图3);光从玻璃斜射入空气,光线远离法线偏折(图4)。对于折射率不同的两种介质,我们把折射率较小的称为光疏介质,折射率较大的称为光密介质。[2]

图3

图4

设计意图:由光的折射现象的复习,构建光疏介质和光密介质的概念。理解光疏介质和光密介质具有相对性,单独一种介质不能定义为光疏介质或光密介质。

(2) 光的全反射

问题:如图5所示,实验仪由利用激光笔改装的面光源、半圆形玻璃砖、带有刻度的圆盘及底座组成。打开光源旋转圆盘,让光从“0”刻度位置入射,观察光的传播方向,光的传播方向有没有改变?让入射角从0°开始增加,入射光线、折射光线的方向怎样改变?入射角、折射角、反射角的大小怎样改变?当折射角增大到90°时,再增大入射角会出现什么现象?结合光疏介质、光密介质概念,学生得出结论:只有光从光密介质射入光疏介质时,才可能出现折射光完全消失现象,并且当入射角增大到某一个值时,折射光才能完全消失,只剩下反射光,这种现象叫作光的全反射。此时的入射角有特别的意义,叫作临界角,用C表示。发生全反射需要满足什么条件?

图5

实验现象:当入射角小于C时,既有反射光又有折射光,入射角增大时,折射角增大;当入射角增大到C时,折射光消失了。

A. 入射角大于45°时,会发生全反射现象

B. 无论入射角多大,折射角都不超过45°

C. 欲使折射角等于30°,应以45°入射角入射

设计意图:强化学生对全反射现象的理解,会运用全反射产生的条件进行简单计算。

2.3 完成实验探究,拓展知识应用

1966年高锟提出:光通过直径仅几微米的玻璃纤维就可以传输大量信息。高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖,根据这一理论制造的光导纤维已经普遍应用到通信领域。

(1) 光在细玻璃管中液柱内的传播

问题:在初中阶段我们学习了光的直线传播,光的直线传播需要什么条件?请同学们观察激光在玻璃管中液柱内的传播情况(图6),为什么会发生此现象?

图6

实验现象:光在细管玻璃中液柱内沿折线传播,在传播过程中发生了全反射。

设计意图:复习初中物理知识:光在同种均匀介质中沿直线传播,引导学生通过实验,将光的直线传播、光的折射与光的全反射现象有机结合起来,通过感知全反射现象,培养学生的科学探究能力。

(2) 激光传输信息

问题:学习了光的全反射以后,能不能用光来传输信息呢?怎样传递信息?

教师利用自制的“光纤通信的可视化演示仪”进行演示(图7)。

图7

实验现象:(1) 将声音信号转变为电流信号,通过导线传播,使扬声器发声;

(2) 将载有音频信号的激光,通过光纤传播,再由光敏电阻接收,并解调为电信号,通过放大,使扬声器发声。

设计意图:通过对比实验,让学生知道激光传输信息的基本原理,拓展全反射知识的应用。

3 结语

基于核心素养的实验进阶教学,使学生在初中认知的基础上,循序渐进地整合和理解零散的知识片段,加强同一知识在不同学段的联系,促进学生构建完整的知识体系。让学生观察光的直线传播、光的反射、光的全反射现象,了解光纤通信原理及其应用,将本节内容在初中物理知识基础上螺旋式提升,实现初、高中物理教学的有效衔接,促进学生的深度学习,提高学生的核心素养。